1.1　土木工程设计基本知识

本节简要介绍土木工程设计的相关基础知识，为后面学习具体的土木工程设计进行理论准备。

1.1.1　建筑结构的功能要求

根据我国《建筑结构可靠性设计统一标准》，建筑结构应该满足的功能要求可以概括为以下3方面。

1. 安全性

建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件（如地震、爆炸等）发生时和发生后保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。

2. 适用性

结构在正常使用过程中应具有良好的工作性能。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。

3. 耐久性

结构在正常维护条件下应具有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限（即设计使用年限）。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。

良好的土木工程设计应能满足上述要求，以保证设计的结构安全可靠。

1.1.2　结构功能的极限状态

整个结构或者结构的一部分超过某一特定状态即不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态，例如，构件即将开裂、倾覆、滑移、压屈、失稳等。即能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态；反之，则处于失效状态。有效状态和失效状态的分界，称为极限状态，它是结构开始失效的标志。

极限状态可以分为两类。

1. 承载能力极限状态

结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的状态，称为承载能力极限状态。当结构或构件由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；结构转变为机动体系时，结构或构件就超过了承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。

2. 正常使用极限状态

结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。例如，当结构或构件产生影响正常使用的过大变形、裂缝过宽、局部损坏和振动时，可认为结构和构件超过了正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构和构件则不能保证适用性和耐久性的功能要求。

结构和构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。通常在设计时要保证构造措施满足要求，这些构造措施在后面章节的绘图过程中会详细介绍。

1.1.3　土木工程设计方法的演变

随着结构效应及计算方法的进步，土木工程设计方法也从最初的简单考虑安全系数法发展到考虑各种因素的概率设计方法。

1. 容许应力设计方法

对于在弹性阶段工作的构件，容许应力方法有一定的设计可靠性，例如钢结构。尽管材料在受荷后期表现出明显的非线性，但是在当时由于设计人员对于线弹性力学更为熟悉，所以在设计具有明显非线性的钢筋混凝土结构时，仍然采用材料力学的方法。

式中：σ——切应力.Pa

M——弯矩设计值.kN·m

y——到中性轴的距离.mm

E——弹性模量.N/mm²

I——截面惯性矩.m⁴。

式中：τ——切应力.Pa

Q——剪力.N

S——面积.m²

I——截面惯性矩.m⁴

b——截面宽度.mm。

2. 破损阶段设计方法

破损阶段设计方法相对于容许应力设计方法的最大贡献是：通过大量的钢筋混凝土构件试验，建立了钢筋混凝土构件抗力的计算表达式。

3. 极限状态设计方法

相对于前两种设计方法，极限状态设计方法的创新点在于以下方面。

（1）首次提出两类极限状态：抗力设计值≥荷载效应设计值；裂缝最大值≤裂缝允许值；挠度最大值≤挠度允许值。

（2）提出了不同功能工程的荷载观测值的概念，在观测值的基础上提出了荷载取用值的概念：荷载取用值=大于1的系数×荷载观测值。

（3）提出了材料强度的实测值和取用值的概念：强度取用值＝小于1的系数×强度实测值。

（4）提出了裂缝及挠度的计算方法和控制标准。

尽管极限状态设计方法有创新点，但是也存在某些缺点。

（1）荷载的离散度未给出。

（2）材料强度的离散度未给出。

（3）荷载及强度系数仍为人为经验值。

4. 半概率半经验设计法

半概率半经验设计方法的本质是极限状态设计法，但是与极限状态设计方法相比，又有一定的改进。

（1）对荷载在观测值的基础上通过统计给出标准值。

（2）对材料强度在观测值的基础上通过统计分析给出材料强度标准值。

但是对于荷载及强度系数仍然是人为经验所定。

5. 近似概率设计法

近似概率设计法将随机变量R和S的分布只用统计平均值μ和标准值σ来表征，且在运算过程中对极限状态方程进行线性化处理。

但是此设计方法也存在一些缺陷。

（1）根据截面抗力设计出的结构，存在着截面失效不等于构件失效，更不等于结构失效的问题，因此不能很准确地表征结构的抗力效应。

（2）未考虑不可预见的因素的影响。

6. 全概率设计方法

全概率设计方法即全面考虑各种影响因素，并基于概率论的结构优化设计方法。

1.1.4　结构分析方法

结构分析应以结构的实际工作状况和条件为依据，并且在所有的情况下均应对结构的整体进行分析，结构中的重要部分、形状突变部位以及内力和变形有异常变化的部分（例如较大孔洞周围、节点及其附近、支座和集中荷载附近等），必要时应另作更详细的局部分析，结构分析的结果都应有相应的构造措施作保证。

所有的结构分析方法的建立都基于3类基本方程，即力学平衡方程、变形协调（几何）条件和本构（物理）关系。其中力学平衡条件必须满足；变形协调条件对有些方法不能严格符合，但应在不同程度上予以满足；本构关系则需合理地选用。

现有的结构分析方法可以归纳为5类。各类方法的主要特点和应用范围如下。

1. 线弹性分析方法

线弹性分析方法是最基本、最成熟的结构分析方法，也是其他分析方法的基础和特例，适用于分析一切形式的结构和验算结构的两种极限状态。至今，国内外的大部分混凝土结构的设计仍基于此方法。

它将结构内力的线弹性分析和截面承载力的极限状态设计相结合，应用时简便易行。按此方法设计的结构，其承载力一般偏于安全。少数结构因混凝土开裂部分的刚度减小而发生内力重分布，可能影响其他部分的开裂和变形状况。

考虑到混凝土结构开裂后的刚度减小，应对梁、柱构件分别采取不等的折减刚度值，但各构件（截面）刚度不随荷载大小的变化而变化，故而结构的内力和变形仍可采用线弹性方法进行分析。

2. 考虑塑性内力重分布的分析方法

考虑塑性内力重分布的分析方法一般用来设计超静定混凝土结构，具有充分发挥结构潜力、节约材料、简化设计和方便施工等优点。

3. 塑性极限分析方法

塑性极限分析方法又称塑性分析或极限平衡法。此法在我国主要用于周边有梁或墙等有支撑的双向板设计。工程设计和施工实践经验证明，按此法进行计算和构造设计简便易行，可保证安全。

4. 非线性分析方法

非线性分析方法以钢筋混凝土的实际力学性能为依据，引入相应的非线性本构关系后，可准确地分析结构受力全过程的各种荷载效应，并且可以解决一切体形和受力复杂的结构分析问题。这是一种先进的分析方法，已经被国内一些重要结构的设计采用，并不同程度地被纳入国外的一些主要设计规范中。但这种分析方法比较复杂，计算工作量大，各种非线性本构关系尚不够完善和统一，至今应用范围仍然有限，主要用于重大结构工程，例如水坝、核电站结构等的分析以及地震作用下的结构分析。

5. 试验分析方法

当结构或其部分的体形不规则且受力状态复杂，又无恰当的简化分析方法时，可采用试验分析方法。例如，剪力墙及其孔洞周围，框架和桁架的主要节点，构件的疲劳，平面应变状态的水坝等。

1.1.5　土木工程设计规范及设计软件

（1）在土木工程设计过程中，为了满足结构的各种功能及安全性的要求，必须遵从我国制定的土木工程设计规范，主要有以下几种。

　《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB 50010—2010）。本规范是为了在混凝土结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。此规范适用于房屋和一般构筑物的钢筋混凝土、预应力混凝土以及素混凝土承重结构的设计，但是不适用于轻骨料混凝土及其他特种混凝土结构的设计。

　《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）。本规范的制定目的是为了贯彻执行《中华人民共和国建筑法》和《中华人民共和国抗震减灾法》并实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。

按本规范进行抗震设计的建筑，其抗震设防的目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

　《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）。本规范是为了适应建筑土木工程设计的需要，以符合安全适用、经济合理的要求而制定。此规范是根据《建筑结构可靠性设计统一标准》规定的原则制定，适用于建筑工程的土木工程设计，并且设计基准期为50年。建筑土木工程设计中涉及的作用包括直接作用（荷载）和间接作用（如地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化或地震等引起的作用），规范仅对荷载部分做出规定。

　《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）。本规程适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设防烈度为6～9度抗震设计的高层民用建筑结构，其适用的房屋最大高度和结构类型应符合本规程的有关规定。但是本规程不适用于建造在危险地段场地的高层建筑。

高层建筑的设防烈度必须按照国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定。一般情况下，抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度；对已编制抗震设防区划的地区，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防，并且高层建筑土木工程设计中应注重概念设计，重视结构的选型和平、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系，加强构造措施。在抗震设计中，应保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性。

　《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）。本规范适用于工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，其中，由冷弯成型钢材制作的构件及其连接应符合现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）的规定。

本规范的设计原则是根据现行国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068—2018）制定。按本规范设计时，取用的荷载及其组合值应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的规定；在地震区的建筑物和构筑物，应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）、《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）和《构筑物抗震设计规范》（GB 50191—2012）的规定。

在钢土木工程设计文件中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。

　《木结构设计标准》（GB 50005—2017）。为了贯彻执行国家的技术经济政策，坚持因地制宜、就地取材的原则，合理选用结构方案和建筑材料，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。本规范适用于建筑工程中下列砌体的土木工程设计，特殊条件下或有特殊要求的应按专门规定进行设计。

砖砌体，包括烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖无筋和配筋砌体。

砌块砌体，包括混凝土、轻骨料混凝土砌块无筋和配筋砌体。

石砌体，包括各种料石和毛石砌体。

　《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ 92—2016）。本规程适用于工业与民用建筑和一般构筑物中采用的无粘结预应力混凝土结构的设计、施工及验收。采用的无粘结预应力筋指埋置在混凝土构件中或者体外束。无粘结预应力混凝土结构应根据建筑功能要求和材料供应与施工条件，确定合理的设计与施工方案，编制施工组织设计，做好技术交底，并应由预应力专业施工队伍进行施工，严格执行质量检查与验收制度。

（2）随着设计方法的演变，一般的设计过程都要对结构进行整体有限元分析，因此要借助计算机软件进行分析计算，在国内有以下几种结构分析设计软件。

　PKPM土木工程设计软件。此软件是一套集建筑设计、土木工程设计、设备设计及概预算、施工软件于一体的大型建筑工程综合CAD系统，并且采用独特的人机交互输入方式，使用者不必填写烦琐的数据文件，用鼠标或键盘即可在屏幕上勾画出整个建筑物。软件有详细的中文菜单指导用户操作，并提供了丰富的图形输入功能，有效地帮助使用者快速输入。实践证明，这种方式容易掌握，而且效率高出传统的方法十几倍。

本系统装有先进的结构分析软件包，容纳了国内最流行的各种计算方法，例如平面杆系、矩形及异形楼板、高层三维壳元及薄壁杆系、梁板楼梯及异形楼梯、各类基础、砖混及底框抗震、钢结构、预应力混凝土结构分析等。其中，结构类包含17个模块，涵盖了土木工程设计中的地基、板、梁、柱、钢结构、预应力等方面。全部结构计算模块均按新的设计规范编制，全面涵盖了新规范要求的荷载效应组合、设计表达式，抗震设计新概念要求的强柱弱梁、强剪弱弯、节点核心、罕遇地震以及考虑扭转效应的振动耦联计算方面的内容。

同时，本系统具有丰富、成熟的结构施工图辅助设计功能，可完成框架、排架、连梁、结构平面、楼板配筋、节点大样、各类基础、楼梯、剪力墙等施工图绘制，并在自动选配钢筋，按全楼或层、跨剖面归并，布置图纸版面，人机交互干预等方面独具特色。在砖混计算中可考虑构造柱共同工作，可计算各种砌块材料，底框上砖房结构CAD适用任意平面的一层或多层底框。还可绘制钢结构平面图、梁柱，门式钢架施工详图及桁架施工图。

　SAP2000结构分析软件。SAP2000是CSI开发的独立的基于有限元的结构分析和设计程序。它提供了功能强大的交互式用户界面，带有很多工具帮助使用者快速和精确创建模型，同时具有分析最复杂工程所需的分析技术。

SAP2000是面向对象的，即用单元创建模型来体现实际情况。一个与很多单元连接的梁用一个对象建立，和现实世界一样，与其他单元相连接所需要的细分由程序内部处理。分析和设计的结果对整个对象产生报告，而不是对构成对象的子单元，信息提供更容易解释并且和实际结构更协调。

　ANSYS有限元分析软件。ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流、立体切片、透明及半透明（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，例如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。

　TBSA系列程序。TBSA系列程序是由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部研制而成，主要是针对国内高层建筑而开发的分析设计软件。

TBSA、TBWE多层及高层建筑结构三维空间分析软件，分别采用空间杆—薄壁柱模型和空间杆—墙组元模型，完成构件内力分析和截面设计。

TBSA-F建筑结构地基基础分析软件，可计算独立、桩、条形、交叉梁系、筏板（平板和梁板）、箱形基础，以及桩与各种承台组成的联合基础；按相互作用原理，结合国家规范，采用有限元法分析；考虑不同地基模式和土的塑性性质、深基坑回弹和补偿、上部结构刚度影响、刚性板和弹性板算法、变厚度板计算；输出结果完善，有表格和平面简图表达方式。